納米發(fā)電機(jī)在油氣田開發(fā)工程領(lǐng)域應(yīng)用前景

付亞榮

中國石油華北油田分公司第五采油廠

納米發(fā)電機(jī)在油氣田開發(fā)工程領(lǐng)域應(yīng)用前景

付亞榮

中國石油華北油田分公司第五采油廠

引用格式：付亞榮. 納米發(fā)電機(jī)在油氣田開發(fā)工程領(lǐng)域應(yīng)用前景［J］.石油鉆采工藝，2016，38（4）： 531-535.

納米發(fā)電機(jī)將科學(xué)預(yù)言變成了現(xiàn)實(shí)，開啟了納米科學(xué)和技術(shù)的新篇章，引起了全球研究者的研發(fā)熱潮。納米發(fā)電機(jī)能將微小物理變化產(chǎn)生的機(jī)械能或熱能轉(zhuǎn)換成電能。針對油氣田開發(fā)過程中微供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和瓶頸，融合不同的納米發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)理，展望了在石油勘探開發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井和隨鉆測井、智能完井、智能分注、智能分采、油（氣）水井測試、油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集（傳輸）與控制等領(lǐng)域綜合應(yīng)用納米發(fā)電機(jī)的前景。預(yù)示著石油勘探開發(fā)領(lǐng)域的微供電領(lǐng)域?qū)⒂瓉眍嵏残缘母锩?/p>

納米發(fā)電機(jī)；油氣田；勘探開發(fā)；應(yīng)用前景

2006年，王中林研發(fā)團(tuán)隊(duì)率先在原子力顯微鏡下研制出將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機(jī)［1-2］，開啟了納米科學(xué)和技術(shù)的新篇章，將理查德·費(fèi)恩曼納米科技的構(gòu)想變成了現(xiàn)實(shí)。同年4月出版的Science周刊對此進(jìn)行了長篇的報道［3］，引起了全球研究者的研發(fā)熱潮。納米發(fā)電機(jī)能將微小物理變化產(chǎn)生的機(jī)械能或熱能轉(zhuǎn)換成電能，主要有壓電式、摩擦電式、熱釋電式3種類型［4］。壓電納米發(fā)電機(jī)所處的環(huán)境中存在如微風(fēng)、聲波、超聲波、噪聲和機(jī)械振動等機(jī)械能，使壓電材料發(fā)生形變，在材料表面產(chǎn)生了壓電勢，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)變；摩擦電納米發(fā)電機(jī)根據(jù)摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能［5］；熱釋電納米發(fā)電機(jī)是采用具有熱電性的鐵電材料薄膜制備的［6］。王中林團(tuán)隊(duì)2011年研制的壓電納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓達(dá)到58 V，電流高達(dá)100 μA，可直接用來驅(qū)動一般的小型電子產(chǎn)品［7］；2012年該團(tuán)隊(duì)利用鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜研制出了熱釋電納米發(fā)電機(jī)［8］；2014年研制的12 mm×12mm×0.7 mm摩擦納米發(fā)電機(jī)首次利用呼吸產(chǎn)生的電能驅(qū)動心臟起搏器，對于植入式醫(yī)療器件的發(fā)展意義重大［9］。輸出電壓高達(dá)200～1 000 V、輸出電流為100 μA、僅3 cm2大小的單層摩擦納米發(fā)電機(jī)，可以瞬時帶動幾百個LED燈、無線探測和傳感系統(tǒng)、手機(jī)電池充電等。因此，21世紀(jì)對自驅(qū)動電源的需求將會有一個爆炸性的“井噴”增長。除了在醫(yī)藥、通信海洋工程領(lǐng)域的研究應(yīng)用，納米發(fā)電機(jī)的研發(fā)能否在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、隨鉆測井系統(tǒng)，智能完井［10-11］，智能分注［12-13］，智能分采［14-15］，油（氣）水井測試［16］，油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、傳輸與控制［17］等供電電源方面迎來顛覆性的革命。

1　油氣田開發(fā)領(lǐng)域自驅(qū)動電源現(xiàn)狀Oil-gas field development since the drive power status

1.1旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井

The rotary steering drilling and logging while drilling

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井技術(shù)可實(shí)時反映定向井、水平井的地層特性，進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，通常采用鋰電池和井下渦輪發(fā)電機(jī)為其系統(tǒng)提供電能［18］。但鋰電池如受溫度影響很大且壽命較短［19］。井下渦輪式發(fā)電機(jī)，在含有固相顆粒的鉆井液中高速旋轉(zhuǎn)，軸承、密封件等運(yùn)動部件快速研磨和沖蝕，使用壽命短［20］，同時，因鉆井液排量和發(fā)電機(jī)電磁扭矩波動造成系統(tǒng)共振，引起磁耦合器失步（滑脫），產(chǎn)生不穩(wěn)定電流，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井和隨鉆測井工具空間角度的振蕩擺動、控制失穩(wěn)［21］；帶有井下渦輪式發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井儀器長13.6 m，重達(dá)2 000 kg［22］，現(xiàn)場維修十分困難。

1.2智能完井

Intelligent well completion

智能完井是在井下放置智能工具，實(shí)時采集油層壓力、溫度、流量等參數(shù)，通過通信電纜或光纜將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏇Q策系統(tǒng)［10］。智能完井技術(shù)可以控制多層合采、多分支井監(jiān)控或使單井眼同時具有注水、監(jiān)測和生產(chǎn)的功能，使單井眼完成多口井的任務(wù)［11］。隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備可靠性逐步增強(qiáng)，可明顯減少修井作業(yè)，但控制井下溫度、壓力的采集、智能節(jié)流器工作的電源受到使用壽命和耐溫的限制［23-24］，影響著油氣井的免修期。

1.3智能分注

Intelligent hierarchical injection

智能分注是以機(jī)電一體化測調(diào)為核心，將井下控制器、智能配水器的水嘴、控制電機(jī)、電池、流量計、壓力傳感器等安裝在特定的保護(hù)腔內(nèi)［25-26］，實(shí)現(xiàn)橋式同心和橋式偏心分注，電池的壽命決定測試的效果，也決定了分注的有效期。

1.4智能分采

Intelligent hierarchical production

分層采油是解決層間矛盾的方法之一［27-29］。智能分層開采是在井下用封隔器分隔開的每個目的層位安裝1套智能開關(guān)器［30-31］，智能開關(guān)器按照設(shè)定的指令打開或關(guān)閉液流通道、調(diào)整其開關(guān)器的開度控制各層的產(chǎn)液量。開關(guān)器完成指令需要電池驅(qū)動電機(jī)來完成，而目前智能分采器所用電池使用壽命僅為18個月，耐溫120 ℃。

1.5油（氣）水井測試

Oil （gas）and water wells testing

在生產(chǎn)測井和試井中經(jīng)常發(fā)生測試電纜或鋼絲纏繞油管，甚至造成測試儀器落井的事故［31-32］。除了井深、井斜角增大的原因外，還有測試儀器中因電池容量需求而使儀器長度增加的因素。開發(fā)微型測試儀器電池成為亟待解決的問題。

1.6油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、傳輸與控制

Oilfield production automatic data acquisition，transmission and control

智慧油田建設(shè)已成為必然，可實(shí)現(xiàn)油水井、計量站、集油站、聯(lián)合站等生產(chǎn)實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時采集、危害預(yù)警遠(yuǎn)程控制等操作［32-33］；特別是油水井井口溫度、壓力、流量等參數(shù)采集、傳輸，傳感器所用電源受環(huán)境、氣候影響很大，且使用壽命1～1.5年，更換不及時易造成數(shù)據(jù)的漏采和丟失。

2　納米發(fā)電機(jī)在油氣田開發(fā)領(lǐng)域潛在應(yīng)用Nano generator potential applications in the field of oil-gas field development

3種類型的納米發(fā)電機(jī)可以將油氣田開發(fā)地下、地面環(huán)境中的各種各樣的振動能、生物能、太陽能和熱能轉(zhuǎn)化為電能，并具有可持續(xù)供電的特點(diǎn)［34］，有望成為油氣田勘探開發(fā)中自供電電源。

2.1壓電納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用前景

Potential applications of piezoelectric power

壓電納米發(fā)電機(jī)利用纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO納米線的半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng)［35］，外力（機(jī)械振動）存在時納米線產(chǎn)生單軸壓縮，產(chǎn)生負(fù)壓電動勢的納米線尖端費(fèi)米能級升高，電子從外電路自尖端向底部流動產(chǎn)生一個尖端正電勢，金屬電極與納米線的肖特基接觸產(chǎn)生肖特基勢壘，尖端電勢永久保持產(chǎn)生電流。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井實(shí)時測量系統(tǒng)依靠井下渦輪式發(fā)電機(jī)供給電能；如果能將鉆井過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動有效利用，促使壓電納米發(fā)電機(jī)中ZnO納米線壓縮產(chǎn)生電流，供給測井儀器正常工作，則可大大減小電源尺寸，提高能量密度與效率，延長儀器電池的使用壽命；同時，也能減少旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井儀器的長度和重量，使鉆井施工和儀器的維修更加方便。

將壓電式納米發(fā)電機(jī)引入智能完井、智能分采技術(shù)，當(dāng)?shù)貙恿黧w沿井筒被舉升至地面，流體流經(jīng)井下開關(guān)控制器時，會產(chǎn)生液流振動引起納米發(fā)電機(jī)發(fā)電，供給開關(guān)控制器完成預(yù)設(shè)工作，解決現(xiàn)有井下電池壽命短和耐溫限制問題。而智能分注是利用井下控制器、智能配水器按油田開發(fā)方案將從井口注入的高壓流體分配給各油層，滿足均衡動用各油層和提高差油層的動用程度的需要。高壓流體從井口進(jìn)入各油層的過程中，能夠使植入井下智能工具中的壓電式納米發(fā)電機(jī)隨著流體振動產(chǎn)生電流；如果將油（氣）水井測試儀器中鋰電池更換為納米發(fā)電機(jī)，儀器的下入和測試過程中均會產(chǎn)生機(jī)械和流體振動，或可以利用納米發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)換為電能，這樣可減少整個測試儀器的長度，減少測試鋼絲或電纜纏繞油管和儀器掉井的機(jī)率。

2.2摩擦電納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用前景

Potential applications of triboelectric nano generator

摩擦電納米發(fā)電機(jī)利用的是摩擦電電勢的充電泵效應(yīng)［34］，貼合在一起的2種鍍有金屬電極的高分子聚合物薄膜在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變，兩層聚合物膜之間相互摩擦，產(chǎn)生電荷分離并形成電勢差；金屬電極通過靜電感應(yīng)可在表面生成感應(yīng)電荷。感應(yīng)電荷在摩擦電電勢驅(qū)動下流經(jīng)外電路即可形成電流。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井與隨鉆測井過程中，高壓鉆井液在鉆具內(nèi)外產(chǎn)生流動摩擦阻力和振動，如果能夠使高分子聚合物薄膜發(fā)生機(jī)械形變、相互摩擦，生成感應(yīng)電荷，即可利用串聯(lián)或并聯(lián)電路將摩擦電納米發(fā)電機(jī)和壓電式納米發(fā)電機(jī)組合形成“互補(bǔ)”，提供更優(yōu)質(zhì)的電源。

目前智能完井、智能分采所用的電源，大部分采用美國Wilson Greatbatch Ltd. 生產(chǎn)的3B2800EI鋰電池，耐溫150 ℃，壽命18月，電池使用壽命小于油井長壽時間；同時，隨著電池使用時間的延長，電量逐漸降低，井下智能控制器失去作用。油井產(chǎn)出液從井底被舉升到井口將產(chǎn)生流動摩擦阻力，或可用來誘導(dǎo)摩擦電納米發(fā)電機(jī)發(fā)電，消除電池與油井長壽時間不同步所造成的不必要修井作業(yè)。智能分注中高壓水從井口往地層注入過程中，流經(jīng)配水器也會產(chǎn)生很大的摩擦阻力，若能用于使摩擦電納米發(fā)電機(jī)發(fā)電，則可克服鋰電池調(diào)配次數(shù)的限制。油（氣）水井進(jìn)行壓力恢復(fù)測試時，有時會因井下電子壓力計電池故障，造成所錄取資料失真或丟失；隨著油井壓力的恢復(fù)、靜液面的上升，同樣會對測試儀器產(chǎn)生摩擦阻力使摩擦電納米發(fā)電機(jī)發(fā)電。

2.3熱釋電納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用前景

Potential applications of pyroelectric nano generator

熱釋電納米發(fā)電機(jī)是利用具有比其他鐵電體更優(yōu)良的壓電和介電性能鋯鈦酸鉛薄膜制備的。環(huán)境溫度的變化可改變薄膜自發(fā)極化，驅(qū)動外電路產(chǎn)生電流。具有較大輸出電壓、較小輸出電流的熱釋電納米發(fā)電機(jī)常常用作潛在電源和作為主動傳感器測量環(huán)境溫度變動，這意味著有望用于24 h不間斷運(yùn)行的油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、傳輸與控制系統(tǒng)。

安裝在室內(nèi)或室外的壓力變送器、溫度變送器、電子流量計等油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、傳輸與控制設(shè)備每天都在感受晝夜溫差的變化，用熱釋電納米發(fā)電機(jī)替代鋰電池維持其正常運(yùn)行，可能采集到的數(shù)據(jù)會更準(zhǔn)確，傳輸速度也會更快，控制更到位。

3　結(jié)論Conclusions

（1）不同類型納米發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)理不同，在油氣田勘探開發(fā)微供電領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。

（2）每種納米發(fā)電機(jī)都有優(yōu)缺點(diǎn)，若將不同種類納米發(fā)電機(jī)集成將會更好地滿足油氣田勘探開發(fā)過程中微供電系統(tǒng)的需要。

（3）探索適合納米發(fā)電機(jī)的能量收集電路，將不同類型納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換存儲，對于實(shí)現(xiàn)油氣田勘探開發(fā)過程中微供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

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（修改稿收到日期 2016-03-05）

〔編輯 付麗霞〕

Application prospect of nanogenerator in oil and gas field development

FU Yarong
No.5 Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company， CNPC

Nanogenerator has opened up a new era for nanoscale science and technology and has given rise to an upsurge of R&D globally. Nanogenerator can convert mechanical energy or thermal energy produced by micro-physical changes into electric energy. During oil and gas field development， the micro-power supply system is used in many areas， such as intelligent drilling system，intelligent well completion system， smart separate injection， smart separate recovery， test of oil （gas） and water wells， automatic acquisition （transmission） and control of oilfield production data， etc. In view of limitations of the power supply system in terms of temperature resistance and integration in these areas， this paper discusses the application prospect of nanogenerator in these areas and predicts the great impact of successful research into nanogenerator on micro-power supply system in oil exploration and development.

nanogenerator； oil and gas field； exploration and development； application prospect

TE19

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04 - 0531- 05

10.13639/j.odpt.2016.04.024

FU Yarong. Application prospect of nanogenerator in oil and gas field development［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 531-535.

付亞榮（1964-），華北油田分公司一級工程師，高級工程師，從事采油工藝研究工作。通訊地址：（052360）河北省辛集市華北油田分公司第五采油廠。電話：0317-2742299。E-mail：cy5_fyr@perochina.com.cn